[发明专利]一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法

说明书

本发明公开了属于核反应堆建模及三维热工流体瞬态现象算法技术领域的一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，具体进行了建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟包括正常运行、预计运行事件和事故的典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象，获得正常运行及关键事故工况下的堆内关键结构、部件的温度场及流场分布特性，明确其三维热工分布及变化特性。基于数值仿真计算得到三维热工参数，可为钠冷快堆相关结构的应力评定提供支持和依据；也为流道尺寸差异大，结构复杂的各类模型的数值模拟提供技术参考。

技术领域

本发明属于核反应堆建模及三维热工流体瞬态现象算法技术领域；特别涉及一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，具体涉及结构尺寸差异巨大的复杂模型的三维热工流体计算。

背景技术

钠冷快堆(Sodium-cooled fast Reactor，简称SFR)是六种第四代反应堆中相对而言技术最成熟、运行经验最丰富的堆型。在快堆中，冷却剂钠的流动较为复杂，以中国实验快堆(CEFR)为例，CEFR一回路采用池式结构，堆芯、一回路设备都在主容器内，液态金属钠作为一回路冷却剂和二回路载热剂。堆本体呈一体化布置，包括堆芯、各类堆内组件、堆容器及堆内构件、控制棒驱动结构、一回路主循环泵、中间热交换器、事故余热排出系统的独立热交换器、堆内换料系统及设备、堆顶固定屏蔽和堆内参数测量装置等。主容器上部是氩气腔体，隔绝一回路钠和外部大气。一回路有两条并联的环路。每条环路上有一台主循环泵和两台中间热交换器。反应堆主容器内的构件包括：堆芯支承结构、堆内支承结构、堆内屏蔽、堆内热屏蔽、泵支承及泵支承补偿器、中间热交换器支承及中间热交换器支承补偿器、压力管和堆芯熔化收集装置。

由于钠冷快堆堆容器及堆内构件结构十分复杂，钠池内的热工水力状况对反应堆的安全运行有着重要影响。对全堆进行三维热工分析的必要性体现在以下三个方面：一是快堆重要的一回路堆内设备和部件均位于钠池中，其布置并不完全是轴对称或者中心对称的，因而传统的一维或二维系统分析程序不能给出较精确的分析研究结果；二是钠池内的钠在正常运行工况下处于高温状态，有着复杂的热工水力行为，其较大的温度梯度引起的热应力对流场中的固体结构的安全性有重要影响；三是池式快堆中的一些结构比较特殊，其特殊的结构引发的流动和传热问题也不是用一维或者二维模型能够分析和解决的。因此,快堆钠池及其结构设备的三维热工分析十分必要。但由于池式快堆结构和回路布置的复杂性，堆内结构尺寸差异巨大，堆容器整体高度15m，泵冷却系统流道仅70mm，相差214倍，网格划分难度大。国内学者对钠冷快堆中单独的部件结构进行过数值模拟，尚未出现类似的全堆瞬态数值模拟先例，为了获得正常运行及关键事故工况下的堆内关键结构、部件的温度场及流场分布特性，用于钠冷快堆相关结构的应力评定。因此有必要对钠冷快堆堆容器及堆内构件进行全尺寸耦合瞬态三维数值模拟。

本发明提供一种池式钠冷快堆堆容器的全尺寸耦合瞬态三维数值仿真方法，即以中国实验快堆(CEFR)研究对象，利用“分区解耦建模-总体耦合计算”关键技术，对热池-冷池-主容器冷却系统-锥顶盖及旋塞进行耦合计算；明确堆内关键结构、部件在特定事故工况下的温度场及流场分布特性，数值模拟出三维热工参数。研究结果可望填补国内相关领域内的空白，也可以为中国钠冷快堆的设计提供支持和依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法，其特征在于，建立三维热工流体计算模型，对钠冷快堆堆容器及堆内构件的典型工况进行计算，模拟典型工况下堆容器内的三维热工流体瞬态现象，主要包括：

(1)中国实验快堆CEFR设计运行工况及事故工况下物理进程及关键现象分析；

(2)基于关键现象分析,对堆本体结构进行合理简化，从而完成关键设备与部件的简化及建模方案，具体包括：主容器、堆内支承、压力管部件、栅板联箱、堆芯、堆内屏蔽、径向热屏蔽、三层水平热屏蔽、一回路主循环泵支承及补偿器、中间热交换器支承及补偿器、独立热交换器支承及补偿器、堆芯熔化收集器、挤钠器、提升机通道、旋塞和中心测量柱；